掃描探針顯微鏡的製作方法
2023-10-05 00:33:44 1
專利名稱：掃描探針顯微鏡的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種掃描探針顯微鏡。
背景技術：
可以用掃描探針顯微鏡來探查物質的表面狀態。而且，可以按照從納米尺寸到原子尺寸的數量級精確操縱原子和分子。因此，掃描探針顯微鏡在納米技術中起著重要的作用。
然而，用常規的掃描探針顯微鏡只能測定物質表面的縱橫比或類似特性，而不能測量物質的其他物理特性，例如磁特性。因此，掃描探針顯微鏡的應用受到了限制，從而不能用於生物化學領域。
發明內容
本發明的目的是提供一種新的掃描探針顯微鏡，它能測定和探查物質的各種特性並能用於各種領域，諸如生物領域中。
為了實現上述目的，本發明所涉及的掃描探針顯微鏡由以下部分組成懸臂，形成於懸臂上的探針，以及位於探針最前端的碳納米管(nanotube)，它具有椅型晶體結構和導電特性。
本發明還涉及一種掃描探針顯微鏡，它由以下部分組成懸臂，形成於懸臂上的探針，以及位於探針最前端的碳納米管，它的前端由改性分子化學地改性(modify)並取代。
在本發明的掃描探針顯微鏡中，碳納米管位於探針的最前端，該探針由矽材料或類似的材料構成，因此實際所使用的探針是由此產生的複合型探針。由於將碳納米管的直徑設置在0.4-50mm範圍內，因此可用此掃描探針顯微鏡來測定和探查物質的細微結構。
在本發明的第一種掃描探針顯微鏡中，構成探針的碳納米管具如圖1所示的椅型晶體結構。這樣的碳納米管趨於表現金屬特性，因而具有導電性。
因此，如果利用碳納米管的量子傳導，則可以精確測量和探查物質的物理特性。碳納米管可與自旋極化(spin-polarization)電子束源連接，該電子束源可由以下材料構成鐵磁材料，例如Fe、超導材料，例如在強磁場力作用下自旋的Al薄片(split)，或半導體材料，例如由光激發的GaAs。如果碳納米管與電子源相連，則電子射入給定的磁性物質中，然後檢測從該磁性物質中流出的隧道電流或軌道電子發射電流。如此，通過隧道電流或軌道電子發射電流可以研究磁性物質的磁結構或空間分布，例如自旋極化。
在本發明的第二種掃描探針顯微鏡中，碳納米管的最前端由改性分子改性。因此，通過適當選擇改性分子的種類和數量，可使最終產生的掃描探針顯微鏡用於各種領域，例如生物化學領域。
為了更好理解本發明，請參見附圖，其中圖1是椅型碳納米管晶體結構示意圖，圖2是根據本發明的掃描探針顯微鏡主要部分側視示意圖，圖3是如圖2中所示的掃描探針顯微鏡從底面看的底平面圖，圖4是根據本發明的另一掃描探針顯微鏡的示意圖，圖5是根據本發明的一種掃描探針顯微鏡中的碳納米管的示意圖，該碳納米管的最前端由過渡金屬複合分子改性，以及圖6是掃描探針顯微鏡中的另一碳納米管示意圖，該碳納米管的最前端由自由基分子改性。
具體實施例方式
現參照附圖對本發明作詳細描述。圖2是根據本發明的掃描探針顯微鏡主要部分側視示意圖，圖3是圖2中所示的掃描探針顯微鏡從底面看的底平面圖。如圖2、3所示，根據本發明的掃描探針顯微鏡包括懸臂1，位於懸臂1上由矽材料製成的探針2，和位於探針2的最前端的碳納米管3。因此，探針2和碳納米管3構成了複合型探針。
在本發明的第一種掃描探針顯微鏡中，需要碳納米管3具有如圖1所示的椅型晶體結構。這樣，可以利用碳納米管3的量子傳導來進行測量和探查。
圖4示出自旋極化電子束源連接於圖2和3所示的碳納米管3上的狀態。如圖4中所示，自旋極化電子束源5設置在碳納米管3的後部。該電子束源5由鐵磁性金屬部件6，例如Fe製成，用於激磁的線圈纏繞在部件6上。
在線圈7中流過給定電流以將鐵磁性元件6磁化，自旋電子從碳納米管3射入置於碳納米管3對面的給定磁性物質S中。然後，檢測從磁性物質S中流出的隧道電流或軌道電子發射電流，從而測定磁性物質S的磁阻。結果，通過檢測到的隧道電流或軌道電子發射電流可以測定和探查磁性物質S的表面磁結構或空間分布(例如自旋極化)。
另外，當線圈7中流過的電流反向時，鐵磁性金屬部件6也反向磁化，以便可以發射具有相反自旋方向的自旋電子。
自旋極化電子束源5可由超導材料，例如在強磁場力作用下自旋的Al薄片，半導體材料，例如由光激發的GaAs製成。
在本發明的第二種掃描探針顯微鏡中，需要將圖2和3所示的碳納米管3的最前端進行化學改性。這樣，位於碳納米管3最前端的碳原子由改性分子取代。可以根據待測量和探查物質的種類和該物質的物理特性適當選擇改性分子的種類和數量。因此，第二種掃描探針顯微鏡可應用於各種領域，諸如生物化學領域，如上所述的常規掃描探針顯微鏡不能應用這些領域。
在第二種掃描探針顯微鏡中，並不總需要碳納米管能導電。因此，碳納米管除具有椅型晶體結構外，還可以具有之字型(zigzag type)晶體結構或手性型晶體結構。
圖5是其前端經過渡金屬複合分子化學改性的碳納米管的晶體結構示意圖。如圖5所示，在其最前端碳納米管的碳原子A由過渡金屬複合分子B部分取代。
因此，如果利用直徑為0.4-50nm的碳納米管的微小結構和複合分子B的物理特性，可以原子尺寸的數量級通過基於磁性物質的磁偶極子相互作用或交換相互作用的相互作用力來檢測和探查磁性物質的表面磁結構。
過渡金屬複合物例如可以是鐵酞菁(phthalocyanine)，鎳酞菁，鈷酞菁，鐵卟啉，鎳卟啉，鈷卟啉，Fe-TMHD和Ni-TMHD。最好使用鐵酞菁，因為它易於得到和被改性。
圖6是其最前端經自由基分子化學改性的碳納米管晶體結構示意圖。這樣，在其最前端碳納米管的碳原子A由自由基分子C部分取代。該術語「自由基分子」為包括自由基族的分子的總稱。
如果採用其最前端經自由基分子改性的碳納米管，可以利用構成自由基分子的不成對電子來測量磁特性。因此，當碳納米管位於磁性物質表面附近，並且檢測磁性物質的磁偶極子相互作用或交換相互作用時，就可以按原子尺寸的數量級探查磁性物質表面的磁結構。
如果利用自由基分子的自由基族與給定物質之間的反應來檢測給定的物理值那麼就可以測定和探查物質的特定物理性質。
自由基分子例如可以是TTF型四自由基供體分子，硝醯自由基，N-羥基四甲基哌啶衍生物，和N-羥基二甲基噁唑烷。最好使用TTF型四自由基供體分子，因為它易於得到和被改性。
碳納米管的最前端可以由抗體分子來改性和取代。在這種情況下，抗體分子顯示對給定抗原分子巨大的抗體-抗原作用，於是可以利用該抗體-抗原反應來測定抗原分子在特定生物體中的分布。例如，通過測定給定的物理值，如抗體-抗原反應中的相互作用力，就可以檢測抗原原子的分布。
而且，碳納米管的最前端可以由構成DNA的鳥嘌呤分子或腺嘌呤分子改性和取代。鳥嘌呤分子和腺嘌呤分子與胞嘧啶分子或胸腺嘧啶分子之間強烈相互作用。因此，如果測定一物理值，例如相互作用中的化學結合力，就可以按分子尺寸的數量級檢測胞嘧啶分子和胸腺嘧啶分子的分布。
相反，可以由構成DNA的胞嘧啶分子或胸腺嘧啶分子來改性碳納米管的最前端。這樣，可按分子尺寸測定鳥嘌呤分子或胸腺嘧啶分子的分布。
此外，可以由構成RNA的胸腺嘧啶分子或尿嘧啶分子來改性碳納米管的最前端。這樣，可以分子尺寸的數量級檢測尿嘧啶分子或胸腺嘧啶分子的分布。
如圖2和3所示的本發明的掃描探針顯微鏡按如下步驟製成首先，利用腐蝕性氣體，例如SF6來蝕刻由矽材料製成的基底，以使懸臂1和探針2形成一體。然後，含有金屬離子，例如Fe離子或Cr離子的甲醇溶液催化劑通過旋塗(spin coating)的方式塗覆於探針2的最前端。接著，將懸臂1和探針2放於爐中，並在600-1200℃條件下加熱。
然後，甲烷氣體與塗覆的甲醇溶液觸媒接觸。這樣，汽相生長沿探針2的側壁發生以形成導電椅型碳納米管3。
此處，通過汽相生長法或電弧放電法製成多個碳納米管，然後通過電滲的方式將這些碳納米管排成刀口形狀，以便在SEM的觀察下用粘合劑將這些納米管與探針2連接。碳納米管通過碳覆膜與探針2連接，該膜用電子束沉積法形成以使之覆蓋在碳納米管的邊緣部分。
在本發明的第二種掃描探針顯微鏡中，碳納米管的最前端與含上述改性分子的溶液或氣體接觸，從而被這些改性分子化學地改性和取代。
如圖5所示，在此例中碳納米管的最前端由過渡金屬複合分子改性和取代，該最前端與由有機溶劑構成的有機溶液接觸，例如其中含有乙醇和鐵酞菁的有機溶液。
如圖6所示，在此例中碳納米管的最前端由自由基分子改性和取代，該最前端與由有機溶劑構成的有機溶液接觸，例如其中含有乙醇和TTF型四自由基供體分子的有機溶液。當碳納米管的最前端由抗體分子、鳥嘌呤分子或腺嘌呤分子改性時，根據待測定和探查的物質種類適當地選擇其中含有這些改性分子的特定溶劑，從而測定和探查該物質的物理特性。
碳納米管最前端的改性可以不用溶液或氣體而如下進行。首先，通過光學鑷子將特定的改性分子傳送到碳納米管的最前端。然後，碳納米管的最前端與改性分子在作為輔助方式的光輻射作用下進行化學反應，以便用改性分子進行改性。
雖然本發明參照以上實施例進行了詳細描述，但本發明不局限於上述公開的內容，在不背離本發明的範圍的情況下，還可以做出各種改變和調整。
在本發明的掃描探針顯微鏡中，碳納米管具有椅型晶體結構或其最前端由特定改性分子進行化學改性。因此，可以在細微尺寸範圍內通過碳納米管的導電性和改性分子的物理特性來測定和探查各種物質的各種物理特性。
權利要求
1.一種掃描探針顯微鏡，包括懸臂，形成於所述懸臂上的探針，和位於所述探針最前端的碳納米管，它具有椅型晶體結構和導電特性。
2.如權利要求1的掃描探針顯微鏡，其進一步包括與所述碳納米管連接的自旋極化電子束源。
3.一種掃描探針顯微鏡，包括懸臂，形成於所述懸臂上的探針，和位於所述探針最前端的碳納米管，它的最前端經改性分子化學改性並取代。
4.如權利要求3所述的掃描探針顯微鏡，其特徵在於，所述改性分子是含過渡金屬元素的金屬複合分子。
5.如權利要求4所述的掃描探針顯微鏡，其特徵在於，所述金屬複合分子是鐵酞菁分子。
6.如權利要求3所述的掃描探針顯微鏡，其特徵在於，所述的改性分子是自由基分子。
7.如權利要求6所述的掃描探針顯微鏡，其特徵在於，所述自由基分子是TTF型四自由基供體分子。
8.如權利要求3所述的掃描探針顯微鏡，其特徵在於，所述的改性分子是抗體分子。
9.如權利要求3所述的掃描探針顯微鏡，其特徵在於，所述的改性分子是鳥嘌呤分子。
10.如權利要求3所述的掃描探針顯微鏡，其特徵在於，所述的改性分子是腺嘌呤分子。
11.如權利要求3所述的掃描探針顯微鏡，其特徵在於，所述的改性分子是胸腺嘧啶分子。
12.如權利要求3所述的掃描探針顯微鏡，其特徵在於，所述的改性分子是胞嘧啶分子。
13.如權利要求3所述的掃描探針顯微鏡，其特徵在於，所述的改性分子是尿嘧啶分子。
14.如權利要求1所述的掃描探針顯微鏡，其特徵在於，所述碳納米管按如下步驟製成覆蓋含金屬離子的甲醇溶液觸媒，然後通過熱化學汽相沉積法CVD在所述探針的最前端與甲烷氣體接觸。
15.如權利要求3所述的掃描探針顯微鏡，其特徵在於，通過使所述碳納米管的最前端與含所述改性分子的溶液或氣體接觸從而改性所述碳納米管的最前端。
16.如權利要求3所述的掃描探針顯微鏡，其特徵在於，通過用光學鑷子將所述改性分子傳送到所述碳納米管的最前端，並使所述改性分子與所述碳納米管的最前端進行化學反應，從而改性所述碳納米管的最前端。
全文摘要
本發明提供一種掃描探針顯微鏡，其中在探針最前端形成具有椅型晶體結構或其最前端經改性分子進行化學改性的碳納米管。
文檔編號C07C13/64GK1405546SQ0214346
公開日2003年3月26日 申請日期2002年6月26日 優先權日2001年6月26日
發明者武笠幸一, 末岡和久, 加茂直樹, 細井浩貴, 澤村誠 申請人:北海道大學